ЗАДАЧИ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Задачи анализа систем управления

Под анализом понимается процесс исследования системы управления, основанный на ее декомпозиции с последующим определением статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей средой.

Целью анализа системы управления является:

¾ детальное изучение системы управления для более эффективного использования и принятия решения по ее дальнейшему совершенствованию или замене;

¾ исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы управления с целью выбора наилучшего варианта.

К задачам анализа системы управления относятся:

¾ определение объекта анализа;

¾ структурирование системы;

¾ определение функциональных особенностей системы управления;

¾ исследование информационных характеристик системы;

¾ определение количественных и качественных показателей системы управления;

¾ оценивание и оценка эффективности системы управления;

¾ обобщение и оформление результатов анализа.

Кратко рассмотрим содержание названных составляющих системного анализа.

Определение объекта анализа

При решении данной задачи нужно выполнить следующие действия:

¾ выделить анализируемую систему управления;

¾ определить цели и задачи управления;

¾ про извести первичную декомпозицию системы с выделением управляющей подсистемы (органов управления), объектов управления (исполнителей) и окружающей среды.

Как отмечалось ранее, перед исследователем может стоять одно из двух направлений анализа: первое - определение состояний системы управления (в менеджменте - определение точки отсчета), которое проводится с целью обозначить зоны, требующие улучшения, и стимулирования изменений; другое - исследование альтернативных вариантов вновь создаваемой системы с целью выбора лучшего варианта.

В менеджменте выделяют следующие группы определения точки отсчета:

1. Анализ работы соперников - систематический анализ деятельности работы соперников, что позволяет улучшать собственную.

2. Лучшая практика - поиск лучшей практики, связанный с методами работы компании.

3. Сравнение качества работы - способ оценки качества работы компании и ее отделов.

4. Установление стандарта - способ создания инструкции для выработки адекватных или повышения рабочих стандартов.

При необходимости выделяются подсистемы и факторы окружающей среды, оказывающие положительное (обеспечивающие подсистемы) и отрицательное (конкурент, противник, климатические, территориальные и другие условия) влияние на функционирование системы.

Устанавливаются виды и формы воздействий управляющей подсистемы и реакций объекта управления, а также воздействий окружающей среды. Определяются основные требования, предъявляемые к системе, и формулируется общий алгоритм функционирования.

Структурирование системы

Изучаемые, создаваемые и проектируемые в настоящее время системы характеризируются исключительной сложностью. Сложность системы определяется большим числам элементов и выполняемых ими функций, высокой степенью связанности элемента, сложностью алгоритмов выбора тех или иных управляющих воздействий и большими объемами перерабатываемой при этом информации.

Одной из основных черт систем управления считается иерархичность и сложные структурные и функциональные взаимоотношения между элементами системы.

В зависимости от задачи исследования в понятие структуры системы управления включаются различные вопросы.

Так, при разработке структуры автоматизированной системы управления отрасли, под этим понимается определение множества узлов системы и связей между ними, распределение задач, возлагаемых на технические средства АСУ, по уровням и узлам системы и выбор комплекса технических средств, обеспечивающих их эффективное решение. Под структурой управления в АСУ технологическими процессами понимается схема, задающая, во-первых, распределение технологических процессов комплекса по группам, составляющим подсистемы различных уровней, с подчинением подсистем данного уровня подсистемам вышестоящего уровня; во-вторых, распределение функций управления и соответствующих им алгоритмов по подсистемам. Распределение первого вида представляет собой производственную структуру комплекса, распределение второго рода - функциональную структуру управляющего органа. Оба аспекта взаимосвязаны и обоснование структуры предполагает их разработку с учетом этих взаимосвязей.

Под структурой производственной организации понимается устойчивое пространственно-временное распределение хозяйственных решений и обеспечивающих их реализацию ресурсов с соответствующими взаимосвязями.

Под структурой организационной системы - подразумевается форма распределения задач и полномочий по принятию решений между лицами или группами лиц (структурными подразделениями), составляющими организационную систему (организацию), направленную на достижение стоящих перед ней целей.

Целью решения задачи структурирования является детальное изучение системы управления, установление связей и отношений между ее элементами.

Результатом решения задачи являются различные варианты структур анализируемой системы, позволяющие определить характеристики и отдельные частные недостатки выделенных элементов и связей между ними и наметить пути их устранения.

Следовательно, под задачей анализа структуры понимается определение основных характеристик системы при некоторой выбранной (фиксированной) структуре.

Основные характеристики структуры системы могут быть разбиты на две группы. К первой относятся характеристики, связанные с иерархичностью систем: число (подсистем) рассматриваемой системы; характер взаимосвязей между уровнями (подсистемами), степень централизации и децентрализации в управлении, признаки разбиения системы на подсистемы. Ко второй - эффективность (в широком смысле) функционирования системы той или иной структуры: эффективность (стоимостная), надежность, живучесть, быстродействие и пропускная способность, способность к перестройке и др.

Определение функциональных особенностей системы управления

Задача определения функциональных особенностей системы строго связана с задачей структурированная. С учетом структурирования определяются перечень частных задач и функции каждого элемента системы, порядок их взаимодействия, необходимые входные и выходные данные.

Исследование информационных характеристик систем

Информационные связи между подсистемами различных уровней принято называть вертикальными, а между подсистемами одного уровня - горизонтальными.

Информационный аспект выступает в форме целезадающего, объединяющего, координирующего, осуществляющего информационную и интеллектуальную поддержку выработки решения.

В процессе исследования информационных характеристик определяются:

сущность и качество информации, используемые для выработки управляющих воздействий;

¾ достаточность информации для выработки управляющих воздействий;

¾ суммарные объемы поступающей и исходящей информации в единицу времени в целом по системе и отдельно по основным элементам;

¾ объем информации, постоянно хранящейся в системе;

¾ единичные объемы передаваемой информации;

¾ способы передачи или доставки информации;

¾ основные направления информационных потоков и др.

Определение количественных и качественных показателей системы

После уяснения поставленной задачи аналогично системы управления, определения объекта анализа и составления его многоуровневого описания производится:

¾ предварительный выбор перечня показателей каждого уровня;

¾ разработка моделей и методов определения показателей различных уровней;

¾ уточнение условий определения показателей, включающих предполагаемые воздействия сверхсистемы, возможность комплексирования с другими системами управления и наличие дублирующих систем.

В результате решения данной задачи:

· систематизируются частные качественные и количественные показатели структур, процессов функционирования и информации;

· определяются обобщенные показатели, характеризующие внешние свойства анализируемой системы и ее отдельных элементов.

Оценивание и оценка эффективности

Данная задача решается с целью определения достигнутых в процесс функционирования системы управления результатов и затраченных на достижение этих результатов материальных и временных ресурсов.

Надо отметить, что понятие показателя, оценивающего функционирование системы, используется в двух смыслах.

Во-первых, это - показатели, измеряющие те или иные результаты, проявленные в процессе реального (или имитационного) функционирования системы. Это - экспериментальные показатели функционирования. Другой вариант связан с пониманием показателей функционирования как теоретических оценок возможных значений экспериментально определяемых показателей. Это - теоретические показатели функционирования. Значения теоретических и экспериментальных показателей функционирования могут не совпадать. Несовпадение может быть обусловлено несовершенством (грубостью) метода построения теоретических оценок, недостаточной информированностью лица, строящего соответствующие теоретические оценки, возможностью нескольких вариантов протекания процесса функционирования и др.

Это обстоятельство порождает требование точности построения теоретических показателей, оценивающих функционирование системы. Содержательно степень точности теоретических оценок представляет собой «меру соответствия» теоретически построенных оценок их экспериментальным значениям.

Обобщение и оформление результатов анализа

Задача документального обобщения и оформления результатов анализа включает:

¾ краткое описание структуры, процессов функционирования и информационных потоков системы;

¾ приводятся значения показателей и результаты оценки эффективности системы (приводятся значения показателей);

¾ обобщенные выявленные недостатки и разрабатываются предварительные рекомендации по ее дальнейшему использованию, совершенствованию или замене.

Задачи синтеза систем управления

В отличие от анализа, когда исследуется заданная система управления, в процессе синтеза необходимо создать новую систему путем определения ее рациональных или оптимальных свойств и соответствующих показателей.

Целью синтеза системы управления является:

· создание новой системы управления, на основе новых достижений науки и техники;

· совершенствование существующей системы управления на основе выявленных недостатков, появлении новых задач и требований.

В общем виде задача синтеза систем управления заключается в определении структуры и параметров системы исходя из заданных требований к значениям показателей эффективности ее функционирования, а также способов обеспечения целей функционирования системы.

Структурный синтез является центральным звеном создания системы управления.

Структурный синтез систем управления включает:

1. Синтез структуры управляемой системы, т. е. определение оптимального состава и взаимосвязей элементов системы, оптимальное разбиение множества управляемых объектов на отдельные подмножества, обладающие заданными характеристиками связей.

2. Синтез структуры управляющей системы:

а) выбор числа уровней и подсистем.(иерархии системы);

б) выбор принципов организации управления, т. е. установление между уровнями правильных взаимоотношений (это связано с согласованием целей подсистем разных уровней и оптимальным стимулированием их работы, распределением прав и ответственности, созданием контуров принятия решений);

в) оптимальное, распределение выполняемых функций между людьми и средствами вычислительной техники;

г) выбор организационной иерархии.

З. Синтез структуры системы передачи и обработки информации. В том числе:

а) синтез структуры системы передачи и обработки информации;

б) синтез структуры информационно-управляющего комплекса (в том числе размещение пунктов обслуживания).

Синтез представляет собой многошаговый итеративный процесс, включающий последовательное решение следующих основных задач:

¾ формирование замысла и цели создания системы управления;

¾ формирование вариантов облика новой системы;

¾ приведение описания варианта облика системы во взаимное соответствие;

¾ оценка эффективности вариантов и· принятия решения о выборе облика новой системы;

¾ разработка требований к системе управления;

¾ разработка программ реализации требований к системе управления;

¾ реализация разработанных требований к системе управления.

Формирование замысла и цели создания системы управления

Замысел возникает на основании полученного задания, выделения недостатков существующей системы управления, появления практической потребности: или новых научных достижений.

Формирование замысла начинается с исторического анализа проблемы, практических возможностей, научною достижения, потребности, анализа сходных систем, сложившейся ситуации, чужих мнений и всех сопутствующих факторов. Это - творческий этап, слабоструктурированный и слабоформализуемый.

Результатом решения задачи формирования замысла и цели создания системы должно быть:

¾ определение назначения системы управления;

¾ определение цели (целевой функции);

¾ определение задач системы;

¾ формулирование основной идеи создания системы;

¾ определение направлений разработки системы.

Формирование вариантов облика новой системы

Варианты облика новой системы формируется на основе анализа общей цели создания системы, изучения общественных потребностей, которые должны быть удовлетворены, предполагаемого объема удовлетворения этих потребностей, изучения состояния и перспектив развития аналогичных отечественных и зарубежных систем.

Процесс формирования каждого варианта облика новой системы может быть описан концептуальной и математической моделями.

Рассмотрим порядок построения концептуальной модели варианта: облика новой системы управления.

При построении концептуальной модели можно выделить несколько этапов.

На первом этапе определяется уровень детализации концептуальной модели варианта системы.

Модель системы представляется в виде совокупности подсистем (элементов). В эту совокупность включаются все подсистемы (элементы), обеспечивающие сохранение целостности системы. Исключение же каких-либо элементов не должно приводить к потере основных свойств системы при выполнении ею функций по предназначению.

С другой стороны, каждая подсистема состоит из совокупности элементов, которые, в свою очередь, могут быть расчленены на элементы. С учетом вышесказанного проблема выбора уровня детализации может быть решена путем построения иерархической последовательности моделей, где система представляется семейством моделей, каждая из которых отражает ее поведение на различных уровнях детализации. На каждом уровне, безусловно, существуют характерные особенности системы, принципы и зависимости, определяющие ее поведение.

Выбор уровня детализации зависит от целей моделирования и степени предварительного знания свойств элементов.

Обычно в модель включают элементы одного уровня детализации, но может возникнуть необходимость в построении модели из элементов разных уровней.

На втором этапе построения концептуальной модели осуществляется ее локализация (установление границ взаимодействия с сверхсистемой) путем представления внешней среды в виде генераторов внешних воздействий, причем эти генераторы включаются в состав системы в качестве ее элементов. Приемники же воздействия системы на среду и (или) другую систему в модель обычно не включаются, полагая при этом, что результаты функционирования системы внешняя среда (другая система) принимает полностью и без задержек.

На третьем этапе завершается построение структуры модели с указанием связей между составляющими ее элементами. Связи могут быть подразделены на вещественные и информационные.

В системах управления информационные связи имеют первостепенное значение. Причем прежде всего следует выделить функционально необходимые внутренние связи, которые обуславливают целостность модели и обеспечивают ее адекватность системе.

Каждый формируемый вариант облика системы включает различные виды описаний: структурное (морфологическое), функциональное, информационное и параметрическое.

Структурное описание включает описание структуры и видов обеспечения системы управления, назначения, состава и размещения ее элементов.

Функциональное описание включает решаемые системой функции, задачи, порядок функционирования системы.

Информационное описание включает описание входной и выходной информации; потоков информации, циркулирующей в системе, способов представления и передачи.

Параметрическое описание включает перечень количественных показателей (параметров), характеризующих отдельные свойства системы, которые необходимо обеспечить в процессе ее создания.

Требования к показателям в виде различных ограничений формируются в процессе оценки эффективности каждого исследуемого варианта облика системы и уточняются в ходе ее разработки.

На четвертом этапе определяются управляемые характеристики, т. е. в модель должны войти те параметры (показатели) системы, допускающие варьирование своих значений в процессе моделирования, которые обеспечат нахождение интересующих разработчика моделей характеристик при конкретных внешних воздействиях на заданном временном интервале функционирования системы. Остальные параметры необходимо, по возможности, исключить из модели естественно без ущерба для ее адекватности, а при необходимости ввести их в ограничения. Желательно, чтобы в концептуальной модели были конкретизированы все решающие правила или алгоритмы управления элементами и (или) процессами модели, которые отражают статику системы.

На пятом этапе описывается динамика системы. Полученную ранее модель необходимо дополнить описанием функционирования системы. Следует отметить, что в сложных системах зачастую протекает несколько процессов одновременно. Каждый процесс представляет собой определенную последовательность отдельных элементарных операций, часть из которых может выполняться параллельно разными элементами (ресурсами) системы.

Приведение описаний варианта облика системы во взаимное соответствие

Приведение описаний варианта облика системы во взаимное соответствие

включает:

¾ сопоставление описаний (структурного, функционального, информационного, параметрического);

¾ приведение названных описаний во взаимное соответствие;

¾ объединение названных описаний.

Дадим краткую характеристику описаний.

Сопоставление описаний. Выполнение требований информационного описания обеспечивается морфологически (структурно) и функционально. Сначала. решается вопрос о совместимости информационного описания. Функциональное описание может быть недостаточным для охвата блоков или процессов структурного описания, и тогда его нужно дополнить (в частности, путем проведения новых исследований).

Все блоки структурного описания должны быть охвачены функциональным описанием и даны способы и формулы для вычисления всех выходных и промежуточных параметров.

Далее требуется выяснить, в какой мере информационное описание обеспечено функционально и морфологически.

Часть результатов, которые можно рассматривать как требования, окажутся нереализуемыми морфологически либо потребуют разработки новых элементов (подсистем). На основании морфологического и функционального описания вычисляются (без требования совместимости) наиболее близкие из достижимых параметров, входящих в параметрическое описание. Здесь может быть два случая: 1) требуемые значения параметров недостижимы; 2) требуемые значения параметров достижимы порознь, но несовместимы. В первом случае необходимо выдвижение идей, перестройка морфологии или

функциональных возможностей, во втором - конструктивная перестройка.

Приведение описаний во взаимное соответствие. Выдвижение идей или ассоциативный поиск для эффективной замены элементов морфологического описания производится на основании функциональных свойств системы. Для этого необходимо выявить коренное противоречие, препятствующее достижению положительного результата. Функциональная недостаточность является исходным толчком для обнаружения коренного противоречия. Выявление сущности противоречия требует анализа морфологических и информационных свойств системы. Устранение противоречия путем компромисса, чтобы общее их сочетание было удовлетворительным - редко бывает перспективным. Расширение диапазона применения может приводить к непримиримому противоречию. В этом случае требуются новые идеи, т. е. включение в систему подсистем или элементов с принципиально новыми свойствами, радикальная перестройка структуры и связей создания новых процессов и т. д. Этап является многошаговым и заканчивается новым описанием системы.

Объединение описаний. Составление единого описания, охватывающего морфологические, функциональные, информационные свойства и параметры в полном объеме.

Оценка эффективности вариантов и принятия решения о выборе облика новой системы

Решение данной задачи включает:

¾ определение значений выбранных показателей эффективности каждого исследуемого варианта облика создаваемой системы;

¾ сравнительную оценку эффективности, которая производится в соответствии с заданным правилом предпочтений и установленным критерием;

¾ принятие решения о выборе наилучшего варианта облика системы.

После выбора окончательного варианта облика системы уточняется критерий эффективности системы, формируется исходный вариант значений показателей системы управления и производится повторная процедура синтеза системы, которая приобретает каждый раз все большую определенность.

Разработка требований к системе управления

Для искусственных систем организационного или эрготического (человеко-машинного) типа четко сформулировать цель очень сложно, поэтому она вырабатывается в виде количественно-качественных требований к существенным свойствам системы, определяющим ситуацию или область ситуации в n-мерном пространстве, которая должна быть достигнута при функционировании системы (величина п обуславливается количеством выделенных существенных свойств объекта).

Требования формируются в виде показателей (количественные) и характеристик (качественные). Как правило, требования задаются в виде ограничения на допустимые пределы значений показателей.

Разработка требований производится в процессе решения всех перечисленных выше задач. Общие требования к системе управления документально оформляются, а затем уточняется отдельные требования к ее элементам, включая элементы, выделяемые при морфологическом (структурном), функциональном, информационном и параметрическом описании системы.

Разработка программ реализации требований к системе управления

Обычно, программа или план реализации требований включает:

¾ перечень целей и задач (заданий) исполнителям (ответственным за создание системы управления развернутых во времени, взаимосвязанных по отношению к общей цели· создания новой системы и сбалансированных. по отношению к общей цели создания новой системы и сбалансированных по ресурсам);

¾ график (порядок) обеспечения исполнителей ресурсами (информационными, материальными; энергетическими и др.). Сбалансированность по ресурсам означает, что не даются задачи, не обеспеченные ресурсами, и что произведено рациональное распределение ограниченных ресурсов между всеми исполнителями.

Реализация разработанных требований к системе управления

Целью задачи является реализация разработанных требований к системе управления в заданные сроки в соответствии с Разработанной программой. Процесс непосредственного создания новой системы управления очень сложный.

Рассмотрим этапы реализации разработанных требований к человеко-машинной (эргатической) системе управления. Условно можно выделить следующие этапы реализации разработанных требований:

¾ моделирование (математическое, физическое, сценарное) подсистем и систем в целом;

¾ макетирование системы;

¾ проектирование системы;

¾ конструирование системы;

¾ изготовление системы;

¾ испытание системы;

¾ оценка путей модернизации;

¾ возвращение к анализу замысла создания системы и перспектив его развития в связи с созданием новой системы.

Кратко охарактеризуем названные этапы.

Моделирование подсистем и системы в целом. На этом этапе концептуальное описание системы реализуется с помощью математической модели.

Целью моделирования является проверка разных аспектов функционирования системы, ее устойчивость по отношению к внешним факторам и оценка эффективности (по функциональному и физическому критерию) ее функционирования в различных условиях работы. Отработка модели включает создание всего оценочного аппарата. Моделирование позволяет повысить эффективность системы (по физическому критерию) путем дополнительного изменения ее морфологии и функциональных свойств. На основании результатов моделирования делается вывод о переходе к следующему этапу разработки или уточнению требований.

Макетирование системы. Главная задача макетирования состоит в отработке устройств, основанных на новых идеях.

Различают полное и частичное макетирование. Частичное макетирование применяется в тех случаях, когда основные подсистемы ясны и требуется уточнить отдельные блоки и подсистемы. Результаты частичного макетирования используются для повторного моделирования системы и дополнительной ее отработки на основании новых данных. Полное макетирование основных и вспомогательных подсистем применяется при разработке новых систем.

Этап макетирования является решающим и завершающим для творческой части разработки; далее начинается технологическая часть.

Проектирование системы. Задача проектирования охватить всю систему, а также средства и методы, необходимые для ее создания и обеспечения.

В проекте не должно быть сомнительных вопросов: проектирование должно опираться на полную информацию и решать только инженерные (в широком смысле) задачи.

Конструирование системы. Конструкция определяет пространственно-временное расположение элементов системы, их сопряжения, соединение и стыковку.

Задачей конструирования является разработка технологии изготовления системы, либо указание на возможность использования готовой технологии.

Описание конструкции должно быть развито до уровня, доступного и понятного лицам, не участвовавшим в разработке системы и незнакомым с исходными идеями.

Изготовление системы. Под словом «изготовление» новой системы понимается изготовление поэлементно и отработка поблочно (подсистемно), а также создание процесса и организации.

Технология и практика изготовления системы накладывают свой отпечаток на элементы системы и ее свойства в целом.

Для новых систем возможны случаи, когда изготовление подсистем с требуемыми параметрами (подготовка процесс а, подбор людей, отработка слаженности групп) оказывается непосильной задачей, и тогда неизбежна соответствующая дополнительная работа (усовершенствование производства, обучение людей, изменение условий) или возвращение к одному их исходных этапов.

Испытание системы. Испытание включает натурную и модельную части с жесткой связью между ними. Для сложных систем натурные испытания могут составить (ввиду их дороговизны, сложности и продолжительности) до 10% всей работы. Испытания проводятся на основании физического критерия эффективности. Планирование экспериментов предполагает комплексный подход и последовательный анализ результатов с тем, чтобы результаты предыдущих экспериментов в полном объеме учитывались в последующих.

На испытаниях отрабатывается способ применения системы и повышение максимально допустимого значения ее эффективности (по физическому критерию). Испытания определяют соответствия системы своему назначению и целевой функции , по функциональному критерию, который вычисляется по результатам испытаний.

Перспективы дальнейшего развития системы оцениваются на основании сопоставления физического и функционального критериев с точки зрения возможностей и путей их дальнейшего увеличения.

Оценка путей модернизации. Научно-технический прогресс характеризуется быстрыми темпами развития процесса создания, накопления и использования знаний.

Появилась новая ситуация в мире выбора альтернатив создания новых систем, которая обусловлена следующими обстоятельствами:

· жизненный цикл созданной человеком системы (техники, оружия) стал на много меньше жизни человека;

· сокращение жизненного цикла созданной человеком системы сопровождается возрастанием полного цикла создания системы;

· проблема вложения средств и ресурсов.

Вырос масштаб, создаваемых человеком систем. Некоторые из них, например, энергетические, транспортные, информационные, стали глобальными. С ростом сложности и масштаба создания новой системы возросли затраты на их реализацию. Риск неудачи выбора варианта создания новой системы становится все ощутимее.

Основой продления жизненного цикла системы является ее своевременная и неоднократная модернизация, идеи которой закладываются, на этапе создания системы.

Следовательно, для придания системе какого-либо свойства надо строить ее подсистему взаимосвязанную со всеми другими подсистемами, генеральной целью которой будет эффективное проявление этого свойств и, естественно, обеспечение его проявления.

Существенность (значимость) любого свойства системы будет зависеть. В первую очередь от значимости подсистемы, его проявляющей и обеспечивающей это проявление.

Еще более сложно установление отношений между свойствами и процессами. Выявление совокупности этих отношений, установление взаимосвязей свойств системы и процессов, их показателей является важнейшей задачей исследования систем управления.

Выделение существенных свойств процессов и систем является в основном творческим, носит неформальный характер и во многом зависит от квалификации исследователя, его опыта и интуиции. Часть свойств определяется исследователем в ходе выработки требований, так как последние предъявляются к значениям показателей существенных свойств системы или процесса.

Определение (оценка) значений показателей существенных свойств производится, как правило, двумя способами: «прямыми замерами» на системе и с использованием модели ее функционирования.

Важным моментом является формирование правил определения факта величины несоответствия между значениями показателей существенных свойств процесса системы и требуемых их значений и оценка этого соответствия.